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DE102005032591B4 - Doped iridium with improved high temperature properties - Google Patents

Doped iridium with improved high temperature properties Download PDF

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DE102005032591B4 DE102005032591A DE102005032591A DE102005032591B4 DE 102005032591 B4 DE102005032591 B4 DE 102005032591B4 DE 102005032591 A DE102005032591 A DE 102005032591A DE 102005032591 A DE102005032591 A DE 102005032591A DE 102005032591 B4 DE102005032591 B4 DE 102005032591B4
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Abstract

The invention relates to an iridium alloy of at least 85% by weight iridium, at least 0.005% by weight molybdenum, 0.001 to 0.6% by weight hafnium and, if necessary, rhenium, the sum of molybdenum and hafnium being between 0.02 and 1.2% by weight, and to a process for the production of an iridium alloy, an IrMo and an IrHf master alloy, respectively, being produced in the electric arc and immersed into an iridium melt, if necessary together with Re.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Dotierung von Iridium oder Iridium-Rhenium-Legierung mit Molybdän und Hafnium.The present invention relates to the doping of iridium or iridium-rhenium alloy with molybdenum and hafnium.

WO 2004/007782 nennt als eine von vielen Verwendungsmöglichkeiten von Iridium Tiegel zur Kristallzüchtung. Es werden Wolfram und/oder Zirkonium enthaltende Iridium-Legierungen beschrieben, die zusätzlich 0,01 bis 0,5 Gew.-% an weiteren Elementen wie Molybdän und Hafnium enthalten und ggf. Ruthenium mit 0,01 bis 10 Gew.-% enthalten. In dieser Schrift ist auch erwähnt, dass die Zugabe dieser zusätzlichen Elemente für sich allein genommen nicht effektiv ist. WO 2004/007782 is one of many uses of Iridium crucible for crystal growth. It describes tungsten and / or zirconium-containing iridium alloys which additionally contain 0.01 to 0.5 wt .-% of other elements such as molybdenum and hafnium and optionally contain ruthenium at 0.01 to 10 wt .-%. It is also mentioned in this document that the addition of these additional elements alone is not effective.

US 4,444,728 beschreibt Iridium-Rhenium-Tiegel mit 1 bis 15 Gew.-% Rheniumanteil. US 4,444,728 describes iridium-rhenium crucibles with 1 to 15 wt .-% rhenium.

Nach US 3,918,965 werden die mechanischen Eigenschaften von Iridium durch Dotierung mit 0,65 bis 0,93 Gew.-% Hafnium stark verbessert.To US 3,918,965 The mechanical properties of iridium are greatly improved by doping with 0.65 to 0.93 wt .-% hafnium.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, auf Basis der ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit des Iridiums gegenüber oxidischen Schmelzen die Kriech- und Zeitstandsfestigkeit zu erhöhen, das Verhalten unter mechanischer Belastung zu verbessern, sowie die Grobkornbildung bei der Rekristallisation zu reduzieren.The object of the present invention is to increase the creep and creep rupture strength based on the excellent corrosion resistance of the iridium to oxidic melts, to improve the behavior under mechanical stress, and to reduce the coarse grain formation in the recrystallization.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.This object is achieved with the features of claim 1.

Bevorzugte Ausführungen und Anwendungen sind in den folgenden Ansprüchen beschrieben.Preferred embodiments and applications are described in the following claims.

Zur Erhöhung der Zeitstandfestigkeit bei 1800°C erfolgt eine Dotierung von Iridium oder Iridium-Rheniumlegierung mit mindestens 50 ppm Molybdän und mindestens 5 ppm Hafnium, wobei die Summe aus Molybdän und Hafnium zwischen 200 ppm und 1,2 Gew.-% beträgt, insbesondere zwischen 0,02 und 0,7 Gew.-%.To increase the creep rupture strength at 1800 ° C., a doping of iridium or iridium-rhenium alloy is carried out with at least 50 ppm molybdenum and at least 5 ppm hafnium, the sum of molybdenum and hafnium being between 200 ppm and 1.2% by weight, in particular between 0.02 and 0.7 wt%.

In bevorzugter Ausführung beträgt der Anteil des Molybdäns 0,01 bis 0,8 Gew.-%, insbesondere 0,02 bis 0,3 Gew.-% Molybdän; und der Anteil des Hafniums 0,001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,2 Gew.-% Hafnium. Hierdurch werden die Grobkornbildung bei der Rekristallisation merklich verlangsamt und die Kriech- und Zeitstandsfestigkeit erhöht. Dieses dotierte Iridium zeigt gegenüber oxidischen Schmelzen deutlich verbessertes Verhalten unter mechanischer Belastung. Die gleichen Komponenten bewirken bei Iridium-Rhenium-Legierungen mit mindestens 85 Gew.-% Ir, vorzugsweise mit bis zu 8 Gew.-% Rhenium, insbesondere 0,1 bis 5 Gew.-% Re, noch wirkungsvollere Ergebnisse hinsichtlich reduzierter Grobkornbildung durch Rekristallisation, und Hochtemperaturfestigkeit. Zusätzlich wird die Neigung zur Lunkerbildung erheblich reduziert.In a preferred embodiment, the proportion of molybdenum 0.01 to 0.8 wt .-%, in particular 0.02 to 0.3 wt .-% molybdenum; and the proportion of hafnium 0.001 to 0.4 wt .-%, in particular 0.01 to 0.2 wt .-% hafnium. As a result, the coarse grain formation during recrystallization slowed noticeably and increases the creep and creep strength. This doped iridium shows compared to oxidic melts significantly improved behavior under mechanical stress. The same components cause iridium-rhenium alloys having at least 85 wt .-% Ir, preferably with up to 8 wt .-% rhenium, in particular 0.1 to 5 wt .-% Re, even more effective results in terms of reduced coarse grain formation by recrystallization , and high-temperature strength. In addition, the tendency to cavitation is significantly reduced.

In weiter bevorzugter Ausführung liegt das Gewichtsverhältnis von Molybdän zu Hafnium zwischen 3:1 und 1:1, insbesondere zwischen 2,5:1 und 1,5:1.In a further preferred embodiment, the weight ratio of molybdenum to hafnium is between 3: 1 and 1: 1, in particular between 2.5: 1 and 1.5: 1.

Zur Herstellung erfindungsgemäßer Legierungen hat es sich bewährt, IrMo und IrHf Vorlegierungen im Lichtbogen zu erzeugen. Diese Vorlegierungen werden im Verhältnis zur Ziellegierung in eine Iridiumschmelze eingebracht bzw. von einer Iridiumschmelze übergossen. Zusätzlich kann Re in die Ir-Schmelze eingebracht werden.For the production of alloys according to the invention, it has proven useful to produce IrMo and IrHf master alloys in the arc. These master alloys are introduced in relation to the target alloy in an iridium melt or doused by an iridium melt. In addition, Re can be introduced into the Ir melt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen verdeutlicht.

  • 1. Mit 0,05 Gew.-% Molybdän dotiertes Iridium wird durch Dotierung mit 0,001 Gew.-% Hafnium hinsichtlich der Zeitstandfestigkeit bei 1800°C verbessert. Diese Verbesserung tritt bei einer Dotierung mit Hf zwischen 0,01 und 0,1 Gew.-% am deutlichsten auf. Bei einer Dotierung über 0,5 Gew.-% Hf wird die Verarbeitbarkeit der Legierung schwieriger.
  • 2. Ein mit 0,3 Gew.-% Hafnium dotiertes Iridium zeigt eine Erhöhung der Zeitstandfestigkeit bei 1800°C durch Dotierung mit 0,01 Gew.-% Molybdän. Die Zeitstandfestigkeit wird weiter deutlich verbessert durch Dotierung mit Mo in einem Bereich zwischen 0,02 und 0,3 Gew.-%. Bei einer Dotierung über 0,8 Gew.-% Mo wird die Verarbeitbarkeit der Legierung schwieriger.
  • 3. Nimmt man in den zuvor beschriebenen Beispielen statt Iridium eine Iridium-Rhenium-Legierung mit 0,1 Gew.-% Rhenium, 1 Gew.-% Rhenium und 8 Gew.-% Rhenium, so ist eine weitere Steigerung der Hochtemperaturfestigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Neigung zur Lunkerbildung festzustellen, wobei mit 1 Gew.-% Rhenium die besten Ergebnisse erzielt wurden. Bei einer Dotierung über 8 Gew.-% Rhenium wird die Verarbeitbarkeit der Legierung schwierig.
The invention is illustrated below with reference to examples.
  • 1. Iridium doped with 0.05% by weight molybdenum is improved by doping with 0.001% by weight hafnium with respect to the creep rupture strength at 1800 ° C. This improvement is most pronounced in the case of doping with Hf between 0.01 and 0.1% by weight. At a doping above 0.5 wt% Hf, the processability of the alloy becomes more difficult.
  • 2. An iridium doped with 0.3% by weight of hafnium shows an increase in the creep rupture strength at 1800 ° C. by doping with 0.01% by weight of molybdenum. The creep strength is further significantly improved by doping with Mo in a range between 0.02 and 0.3 wt .-%. At a doping above 0.8 wt% Mo, the processability of the alloy becomes more difficult.
  • 3. Taking in the examples described above iridium instead of an iridium-rhenium alloy with 0.1 wt .-% rhenium, 1 wt .-% rhenium and 8 wt .-% rhenium, so is a further increase in high-temperature strength at the same time Reduction of the tendency to cavitation, with 1 wt .-% rhenium, the best results were achieved. With a doping above 8% by weight of rhenium, the processability of the alloy becomes difficult.

Ausführungsbeispiele:EXAMPLES

Erfindungsgemäße Iridiumlegierungen sind durch Umschmelzen von Vorlegierungen mit Ir erhältlich. Eine Ir Hf 1 und eine Ir Mo 1 Vorlegierung wird im Lichtbogen hergestellt.Inventive iridium alloys are obtainable by remelting master alloys with Ir. An Ir Hf 1 and an Ir Mo 1 master alloy are produced in the arc.

Hierbei erfolgt ein Schmelzprozess in einer Lichtbogenanlage mit W-Elektrode nach

  • – einwiegen von 99 g Ir und 1 g Hf
  • – chargieren in eine wassergekühlte Cu-Kokille
  • – evakuieren
  • – 300 mbar Argon fluten
  • – Lichtbogen zünden und die Legierung aufschmelzen
  • – mehrmals umschmelzen, um eine homogene Legierung zu erhalten
This is followed by a melting process in an arc system with W electrode
  • Weigh out 99 g Ir and 1 g Hf
  • - Charge into a water-cooled copper mold
  • - evacuate
  • - 300 mbar argon flood
  • - ignite the arc and melt the alloy
  • - remelt several times to obtain a homogeneous alloy

Für Ir Mo 1 wird der Prozess entsprechend wiederholt.For Ir Mo 1, the process is repeated accordingly.

Beim Herstellungsprozess der Legierungsschmelze wird ggf. Re zugegeben und die beiden Vorlegierungen in die Ir-Schmelze getaucht, um eine Oxidation der Legierungsbestandteile zu verhindern. Hierzu werden die Vorlegierungen mit einem Stab aus Zirkoniumoxid in die Iridiumschmelze geführt und gegen Auftauchen gehalten.If necessary, during the manufacturing process of the alloy melt, Re is added and the two master alloys are immersed in the Ir melt in order to prevent oxidation of the alloy constituents. For this purpose, the master alloys are guided with a rod of zirconium oxide in the Iridiumschmelze and kept against surfacing.

3 kg einer Legierung aus Ir – 1% Re – 0,04% Mo – 0,02% Hf wurde unter Argonatmosphäre induktiv erschmolzen und gemäß üblicher Praxis in eine Kupferkokille 20 mm × 70 mm × 100 mm gegossen. Auffällig bei dem Barren war die geringere Lunkerbildung, als bei reinem Iridium üblicherweise beobachtet wird. Der Barren wurde gemäß normaler Praxis heiß geschmiedet und auf eine Dicke von 1 mm heiß gewalzt, wobei er vor jedem Walzstich auf 1400°C erwärmt wurde. Bei der Heißumformung verhielt sich die Legierung ähnlich gut wie reines Iridium. Analog dem reinen Iridium erfolgte nach der Umformung eine Schlussglühung 20 Minuten/1400°C. Eine metallographische Schliffuntersuchung zeigte ein gleichmäßig rekristallisiertes Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 0,095 mm.3 kg of an alloy of Ir - 1% Re - 0.04% Mo - 0.02% Hf was inductively melted under argon atmosphere and poured into a copper mold 20 mm × 70 mm × 100 mm according to standard practice. Noticeable in the billet was the lower voids formation, as is usually observed with pure iridium. The ingot was hot forged according to normal practice and hot rolled to a thickness of 1 mm, being heated to 1400 ° C before each rolling pass. In hot forming, the alloy behaved similarly to pure iridium. Similar to the pure iridium, a final annealing was carried out after the shaping for 20 minutes / 1400 ° C. A metallographic ground investigation showed a uniformly recrystallized microstructure with a mean particle size of 0.095 mm.

Aus diesem legierten Ir-Blech wurde eine Probe geschnitten und 100 Stunden bei 1400°C ausgelagert. Im metallographischen Schliff wurde ein gleichmäßig rekristallisiertes Gefüge mit mittlerer Korngröße 0,11 mm festgestellt.From this alloyed Ir sheet, a sample was cut and aged at 1400 ° C for 100 hours. In metallographic grinding, a uniformly recrystallized microstructure with an average particle size of 0.11 mm was found.

Aus demselben legierten Ir-Blech wurden 3 Proben für Zeitstandversuche geschnitten. Diese Proben wurden bei 1800°C unter einer Belastung von 16,9 MPa – entsprechend der Belastung, die für reines Iridium eine Standzeit von 10,0 Stunden ergeben hatte – unter einer Atmosphäre aus Ar/H2 95/5 getestet. Die Zeit bis zum Bruch der einzelnen Proben betrug 15,4; 16,6 bzw. 18,8 Stunden.From the same alloyed Ir sheet 3 samples were cut for creep tests. These samples were tested at 1800 ° C under a load of 16.9 MPa, corresponding to the load that gave a lifetime of 10.0 hours for pure iridium, under an Ar / H2 95/5 atmosphere. The time to break of each sample was 15.4; 16.6 or 18.8 hours.

Ein weiterer Barren mit der gleichen Legierungszusammensetzung wurde erschmolzen und zu einem 2,4 mm dicken Blech umgeformt. Aus diesem Blech wurde durch Heißtiefziehen ein zylindrischer Tiegel mit Außendurchmesser 50 mm und Höhe 60 mm hergestellt. Bei der Umformung verhielt sich die Legierung analog reinem Ir.Another ingot of the same alloy composition was melted and formed into a 2.4 mm thick sheet. From this sheet, a cylindrical crucible having an outer diameter of 50 mm and a height of 60 mm was produced by hot-drawing. During the transformation, the alloy behaved analogously to pure Ir.

Unter Verwendung dieses Tiegels wurde nach dem Czochralski-Verfahren ein Einkristall aus Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat gezüchtet.Using this crucible, a single crystal of neodymium-yttrium-aluminum garnet was grown by the Czochralski method.

Auf analoge Weise wurde ein Barren aus der Legierung Ir – 0,3% Mo – 0,04% Hf erschmolzen, gegossen und zu einem 1 mm-Blech umgeformt. Nach der Schlussglühung wies das Blech ein gleichmäßig rekristallisiertes Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 0,3 mm auf.In an analogous manner, a billet made of the alloy Ir - 0.3% Mo - 0.04% Hf was melted, cast and formed into a 1 mm sheet. After final annealing, the sheet had a uniformly recrystallized microstructure with a mean grain size of 0.3 mm.

Nach einer zusätzlichen Probeglühung 100 Stunden bei 1400°C wurde ein gleichmäßig rekristallisiertes Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 0,6 mm festgestellt.After an additional sample annealing for 100 hours at 1400 ° C, a uniformly recrystallized microstructure with a mean grain size of 0.6 mm was found.

Im Zeitstandversuch bei 1800°C unter einer Belastung von 16,9 MPa wurden an 3 Proben Standzeiten von 12,0; 12,6 bzw. 13,1 Stunden gemessen.In the creep test at 1800 ° C under a load of 16.9 MPa were on 3 samples lives of 12.0; Measured 12.6 and 13.1 hours, respectively.

Auf analoge Weise wurde ein Barren aus der Legierung Ir – 3% Re – 0,05% Mo – 0,03% Hf erschmolzen, gegossen und zu einem 1 mm-Blech umgeformt. Nach der Schlussglühung wies das Blech ein gleichmäßig rekristallisiertes Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 0,075 mm auf.In an analogous manner, a billet made of the alloy Ir - 3% Re - 0.05% Mo - 0.03% Hf was melted, cast and formed into a 1 mm sheet. After the final annealing, the sheet had a uniformly recrystallized microstructure with a mean grain size of 0.075 mm.

Nach einer zusätzlichen Probeglühung 100 Stunden bei 1400°C wurde ein gleichmäßig rekristallisiertes Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 0,09 mm festgestellt.After an additional sample annealing for 100 hours at 1400 ° C, a uniformly recrystallized microstructure with a mean particle size of 0.09 mm was found.

Im Zeitstandversuch bei 1800°C unter einer Belastung von 16,9 MPa wurden an 3 Proben Standzeiten von 18,1; 19,7 bzw. 20,9 Stunden gemessen.In the creep test at 1800 ° C under a load of 16.9 MPa, service lives of 18.1; Measured 19.7 and 20.9 hours, respectively.

Ein weiterer Barren mit der gleichen Legierungszusammensetzung wurde erschmolzen und zu einem 2,4 mm dicken Blech umgeformt. Aus diesem Blech wurde durch Heißtiefziehen ein zylindrischer Tiegel mit Außendurchmesser 30 mm und Höhe 35 mm hergestellt. Bei der Umformung war eine höhere Kraftanwendung als beim reinen Iridium erforderlich. Ebenfalls musste der Tiegel häufiger einer Zwischenglühung (10 Minuten/1400°C) unterzogen werden, als bei reinem Iridium üblich. Ansonsten verlief die Umformung einwandfrei. Unter Verwendung dieses Tiegels wurde nach dem Czochralski-Verfahren ein Einkristall aus Saphir aus einer Aluminiumoxidschmelze gezüchtet.Another ingot of the same alloy composition was melted and formed into a 2.4 mm thick sheet. From this sheet, a cylindrical crucible having an outer diameter of 30 mm and a height of 35 mm was produced by hot-drawing. The forming required a higher force application than pure iridium. Likewise, the crucible had to be subjected more frequently to an intermediate annealing (10 minutes / 1400 ° C.) than usual for pure iridium. Otherwise, the transformation was flawless. Using this crucible, a single crystal of sapphire was melted from an alumina melt by the Czochralski method.

Vergleichsbeispiele:Comparative Examples:

Eine Probe aus einem 1 mm dicken Blech aus reinem Iridium wurde nach dem Walzen und der Schlussglühung 20 Minuten/1400°C im metallographischen Schliff untersucht. Die Probe zeigte ein gleichmäßig rekristallisiertes Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 0,7 mm.A sample of a 1 mm thick sheet of pure iridium was examined after rolling and final annealing for 20 minutes / 1400 ° C in metallographic grinding. The sample showed a uniformly recrystallized microstructure with a mean grain size of 0.7 mm.

Eine weitere Probe aus demselben Ir-Blech wurde nach der Schlussglühung weitere 100 Stunden bei 1400°C ausgelagert und metallographisch untersucht. Die Probe zeigte ein rekristallisiertes Gefüge mit teilweiser Grobkornbildung. Die Korngröße war ungleichmäßig zwischen 1 und 2 mm.Another sample of the same Ir sheet was aged for a further 100 hours at 1400 ° C after final annealing and examined by metallography. The sample showed a recrystallized microstructure with partial coarse grain formation. The grain size was unevenly between 1 and 2 mm.

10 Proben aus demselben Ir-Blech wurden nach der Schlussglühung unter verschiedenen Lasten zwischen 6 und 25 MPa bei 1800°C unter einer Atmosphäre aus Ar/H2 95/5 beansprucht und die Zeit bis zum Bruch der einzelnen Proben wurde ermittelt. Für eine Belastung von 16,9 MPa wurde eine Standzeit von 10,0 Stunden bis zum Bruch ermittelt.Ten samples of the same Ir sheet were subjected to final annealing under various loads between 6 and 25 MPa at 1800 ° C under an Ar / H2 95/5 atmosphere and the time to break each sample was determined. For a load of 16.9 MPa, a service life of 10.0 hours until breakage was determined.

Claims (5)

Legierung enthaltend mindestens 0,005 Gew.-% Molybdän und 0,0005 bis 0,6 Gew.-% Hafnium, wobei die Summe aus Molybdän und Hafnium zwischen 0,02 und 1,2 Gew.-% beträgt, gegebenenfalls Rhenium, und als Rest mindestens 85 Gew.-% Iridium.An alloy containing at least 0.005% by weight of molybdenum and 0.0005 to 0.6% by weight of hafnium, the sum of molybdenum and hafnium being between 0.02 and 1.2% by weight, optionally rhenium, and the remainder at least 85% by weight iridium. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 0,01 bis 0,8 Gew.-% Molybdän und 0,002 bis 0,4 Gew.-% Hafnium sowie gegebenenfalls bis zu 8 Gew.-% Rhenium.An alloy according to claim 1, characterized by 0.01 to 0.8 wt .-% molybdenum and 0.002 to 0.4 wt .-% hafnium and optionally up to 8 wt .-% rhenium. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,1 bis 5 Gew.-% Rhenium aufweist.Alloy according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises 0.1 to 5% by weight of rhenium. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,02 bis 0,3 Gew.-% Molybdän aufweist.Alloy according to one of Claims 1 to 3, characterized in that it contains 0.02 to 0.3% by weight of molybdenum. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,002 bis 0,2 Gew.-% Hafnium aufweist.Alloy according to one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises 0.002 to 0.2% by weight of hafnium.
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